JP4893883B2 - Radio altitude speed measuring apparatus and altitude speed measuring method using radio wave - Google Patents

Radio altitude speed measuring apparatus and altitude speed measuring method using radio wave Download PDF

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Description

本発明は、パルス方式の電波高度速度測定装置及びパルス方式の電波を用いた高度速度測定方法に関する。   The present invention relates to a pulse type radio altitude speed measuring apparatus and an altitude speed measuring method using a pulse type radio wave.

一般に、月や惑星に着陸する宇宙機には、航法誘導に適した電波高度速度測定装置が搭載される。これは、パルス方式の電波を用いて、電波を送出する対象となる地表面(対象表面)の水平方向速度及び高度を高精度に測定することができる。   In general, spacecraft that land on the moon and planets are equipped with radio altitude velocity measuring devices suitable for navigation guidance. This can measure the horizontal speed and altitude of the ground surface (target surface) to which radio waves are transmitted with high accuracy using pulse radio waves.

パルス変調された電波(マイクロ波)を用いる航空機用の速度測定方式としては、いわゆるドップラレーダが広く知られている。航空機誘導用のドップラレーダは、比較的高い周波数(Kuバンドなど)を利用することで、アンテナから送出される電波のビーム幅(ビームの拡がり角)を数度程度に絞っている。また、航空機誘導用のドップラレーダでは、電波の反射が発生する対象表面のほとんどが洋上の広く平滑な面である。   A so-called Doppler radar is widely known as an aircraft speed measurement method using pulse-modulated radio waves (microwaves). An aircraft guidance Doppler radar uses a relatively high frequency (Ku band or the like) to narrow the beam width (beam divergence angle) of a radio wave transmitted from an antenna to about several degrees. Moreover, in the aircraft guidance Doppler radar, most of the target surface on which radio waves are reflected is a wide and smooth surface on the ocean.

これに対し、宇宙機の場合、重量リソースが厳しいため、月惑星ミッションでは高度計と速度計をそれぞれ別個に搭載することが難しく、また試験の利便性から、高度計用に帯域が割り当てられているCバンド(4GHz〜8GHz)の電波を用いて高度と速度の両方を測定する構成が採られることが多い。Cバンドの電波を用いた場合、ビームの拡がり角を航空機誘導用のドップラレーダと同じく数度程度に細くしようとすると、そのために必要となるアンテナの重量が増大し、宇宙機全体に与える負荷が大きくなる。そのため、アンテナの重量を必要最小限に抑えなければならない結果、ビーム拡がり角を十数度程度に拡げざるを得ない。また、宇宙機の場合、電波が反射する対象表面となる月面や惑星表面は複雑な地形であり、航空機誘導用のドップラレーダとは様相が異なる。   On the other hand, in the spacecraft, the weight resource is severe, so it is difficult to mount the altimeter and the speedometer separately in the lunar planetary mission, and for the convenience of testing, the bandwidth is allocated for the altimeter. In many cases, a configuration is employed in which both altitude and speed are measured using radio waves in a band (4 GHz to 8 GHz). When C-band radio waves are used, if the beam divergence angle is reduced to a few degrees, similar to the Doppler radar for aircraft guidance, the weight of the antenna required for this will increase, and the load on the entire spacecraft will increase. growing. As a result, the weight of the antenna must be minimized, and as a result, the beam divergence angle must be expanded to about a dozen degrees. In the case of a spacecraft, the lunar surface and planetary surface, which are the target surfaces from which radio waves are reflected, are complex terrain, and are different from the Doppler radar for aircraft guidance.

将来の月惑星探査では、目標地点へのピンポイント着陸が計画されており、上記のように、地表からの高度のみならず対象表面に対する水平方向速度を検出可能な電波センサが必要とされる。前述のように、重量リソースの厳しい月惑星ミッションでは、航空機の誘導システムのように高度計と速度計を各々搭載することは現実的でない。また、航空機誘導用のドップラレーダとは、扱う反射信号の特性が大きく異なる。したがって、宇宙機への搭載に適した、高度計一体型の電波速度計を用いて、水平方向速度の高精度な測定が求められる。   In future lunar and planetary exploration, a pinpoint landing at a target point is planned, and as described above, a radio wave sensor capable of detecting not only the altitude from the ground surface but also the horizontal velocity with respect to the target surface is required. As described above, it is not realistic to install an altimeter and a speedometer as in an aircraft guidance system in lunar / planetary missions where the weight resources are severe. In addition, the characteristics of the reflected signal to be handled are greatly different from the aircraft guidance Doppler radar. Therefore, high-precision measurement of the horizontal velocity is required using an altimeter-integrated radio wave velocity meter suitable for mounting on a spacecraft.

本発明は、上述のような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、重量リソースの厳しい月惑星ミッションのための宇宙機にも適合し、かつ、高度及び速度の測定程度の高い電波高度速度測定装置及び電波を用いた高度速度測定方法を提供することである。   The present invention has been made in view of the above points, and its object is to be compatible with a spacecraft for lunar planetary missions with severe weight resources and to have a high degree of altitude and velocity measurement. An altitude speed measuring apparatus and an altitude speed measuring method using radio waves are provided.

本発明に係る飛翔体の高度及び対象表面に対する水平方向速度を測定する電波高度速度測定装置は、
電波を用いて前記飛翔体の高度を測定する高度測定部と、
前記飛翔体から所定のビーム拡がり角を有する電波を、対象表面に向け、所定の時間間隔のパルスとして送出する電波送出部と、
前記電波の対象表面からの反射波を受信する電波受信部と、
電波受信部で受信された反射波を直交復調してI信号及びQ信号を出力する直交復調部と、
前記I信号及びQ信号をディジタル化するA/D変換部と、
ディジタル化された前記I信号及Q信号に基づいて、レンジ時間軸上の複数の点についてドップラ周波数を推定するドップラ周波数推定処理部と、
前記ドップラ周波数推定処理部において得られたレンジ時間とドップラ周波数からなる複数の組と、前記高度測定部で得られた高度の値とを理論式に代入して得られるドップラ周波数の理論式についてフィッティング処理を行って、前記飛翔体の水平方向速度を算出するフィッティング処理部と、
を具備することを特徴とする。
A radio altitude velocity measuring device for measuring the altitude of a flying object according to the present invention and the horizontal velocity with respect to the target surface,
An altitude measuring unit that measures the altitude of the flying object using radio waves;
A radio wave sending unit for sending a radio wave having a predetermined beam divergence angle from the flying object to the target surface and sending it as a pulse at a predetermined time interval;
A radio wave receiver that receives a reflected wave from the target surface of the radio wave;
An orthogonal demodulation unit that orthogonally demodulates the reflected wave received by the radio wave reception unit and outputs an I signal and a Q signal;
An A / D converter for digitizing the I signal and the Q signal;
A Doppler frequency estimation processing unit for estimating a Doppler frequency for a plurality of points on the range time axis based on the digitized I signal and Q signal;
Fitting a theoretical formula of Doppler frequency obtained by substituting a plurality of sets of range time and Doppler frequency obtained in the Doppler frequency estimation processing unit and an altitude value obtained in the altitude measuring unit into a theoretical formula A fitting processing unit that performs processing to calculate a horizontal speed of the flying object;
It is characterized by comprising.

前記フィッティング処理部は、さらに、複数のレンジ時間とドップラ周波数からなる組が入力されると、レンジ時間軸上の各点について対応する視線方向角を算出し、

Figure 0004893883
に基づいて水平方向速度を算出するとともに、このhに含まれ得る誤差の範囲(±Δh)を適当なステップで刻み、k個の高度値について同様の処理を実行してk個の水平方向速度vを算出し、これに基づいて、フィッティングの回帰残差を評価関数
Figure 0004893883
とすることにより、k個の高度値の中で最適な値を決定する処理も行う。 The fitting processing unit further calculates a gaze direction angle corresponding to each point on the range time axis when a set of a plurality of range times and Doppler frequencies is input,
Figure 0004893883
The horizontal speed is calculated based on the above, and the error range (± Δh) that can be included in h is cut in an appropriate step, and the same processing is executed for the k altitude values to obtain k horizontal speeds. v is calculated, and based on this, the regression residual of the fitting is evaluated
Figure 0004893883
By doing so, the process of determining the optimum value among the k altitude values is also performed.

本発明に係る飛翔体の高度及び対象表面に対する水平方向速度を測定する電波高度速度測定方法は、
電波を用いて前記飛翔体の高度を測定する高度測定工程と、
前記飛翔体から所定のビーム拡がり角を有する電波を、対象表面に向け、所定の時間間隔のパルスとして送出する電波送出工程と、
前記電波の対象表面からの反射波を受信する電波受信工程と、
電波受信工程により受信された反射波を直交復調してI信号及びQ信号を出力する直交復調工程と、
前記I信号及びQ信号をディジタル化するA/D変換工程と、
ディジタル化された前記I信号及Q信号に基づいて、レンジ時間軸上の複数の点についてドップラ周波数を推定するドップラ周波数推定処理工程と、
前記ドップラ周波数推定処理部において得られたレンジ時間とドップラ周波数からなる複数の組と、前記高度測定部で得られた高度の値とを理論式に代入して得られるドップラ周波数の理論式についてフィッティング処理を行って、前記飛翔体の水平方向速度を算出するフィッティング処理工程と、
を具備することを特徴とする。
The radio wave altitude velocity measuring method for measuring the altitude of the flying object according to the present invention and the horizontal velocity with respect to the target surface,
An altitude measuring step of measuring the altitude of the flying object using radio waves;
A radio wave sending step for sending radio waves having a predetermined beam divergence angle from the flying object toward the target surface and sending them as pulses at predetermined time intervals;
A radio wave receiving step of receiving a reflected wave from the target surface of the radio wave;
An orthogonal demodulation step of orthogonally demodulating the reflected wave received by the radio wave reception step and outputting an I signal and a Q signal;
An A / D conversion step for digitizing the I signal and the Q signal;
A Doppler frequency estimation processing step of estimating a Doppler frequency for a plurality of points on the range time axis based on the digitized I signal and Q signal;
Fitting a theoretical formula of Doppler frequency obtained by substituting a plurality of sets of range time and Doppler frequency obtained in the Doppler frequency estimation processing unit and an altitude value obtained in the altitude measuring unit into a theoretical formula A fitting processing step of performing processing to calculate a horizontal speed of the flying object;
It is characterized by comprising.

本発明によれば、ドップラ周波数推定処理及びフィッティング処理を行うことにより、飛翔体の水平方向速度を高精度に測定することが可能となる。また、フィッティング処理において回帰残差を与える値により高度測定値の高精度化をも図ることができる。   According to the present invention, the horizontal velocity of the flying object can be measured with high accuracy by performing the Doppler frequency estimation processing and the fitting processing. Also, the accuracy of the altitude measurement value can be increased by the value that gives the regression residual in the fitting process.

さらに、高度の測定と水平方向速度の測定を一体化された単一の装置として実現することができるので、特に重量や搭載スペースの制約が厳しい月や惑星に着陸する宇宙機の航法誘導用センサへ適用した場合にその効果が大きいが、地上においても、例えば無人ヘリコプターや無人飛行機といった装置の小型化、一体化が要求される諸分野に適用した場合にも大きな効果が期待できる。   In addition, altitude measurement and horizontal velocity measurement can be realized as a single integrated device, so navigation navigation sensors for spacecraft that land on the moon and planets, which are particularly limited in weight and space. However, when applied to various fields where downsizing and integration of devices such as unmanned helicopters and unmanned airplanes are required, great effects can be expected.

上述した電波高度速度装置において、水平方向速度の測定に用いられるパルスは、図1に示すように、鉛直方向から適当な角度だけ傾斜した方向(視線方向)に、一定のビームの拡がり角と持続時間をもって、それぞれのパルスが一定の時間間隔Tを隔てるようにして送出される。このような状況では、受信される反射パルスは時間方向に拡がり、ドップラ周波数は、そのパルス内の時間位置(レンジビン)に応じて、対象表面への入射方向の差に応じて分布する。ここで、単純に、ドップラ周波数を推定するレンジビンと、別途測定される高度情報によって、電波の入射方向を算出し、その値を用いて水平方向速度の導出を行った場合、送信パルス幅によって制約されるレンジ方向分解能に伴うドップラ周波数の不確定性により、速度測定に誤差が生じる。さらには、上記の場合、高度の測定値を電波の入射方向の推定に直接的に用いるため、その測定誤差がそのまま速度測定の精度に影響を及ぼす。   In the radio altitude velocity apparatus described above, the pulse used for measuring the horizontal velocity is, as shown in FIG. 1, a constant beam divergence angle and duration in a direction inclined by an appropriate angle from the vertical direction (line-of-sight direction). With time, each pulse is sent out at a constant time interval T. In such a situation, the received reflected pulse spreads in the time direction, and the Doppler frequency is distributed according to the difference in the incident direction on the target surface according to the time position (range bin) in the pulse. Here, if the incident direction of radio waves is simply calculated from the range bin that estimates the Doppler frequency and altitude information that is measured separately, and the horizontal speed is derived using that value, it is limited by the transmission pulse width. Due to the uncertainty of the Doppler frequency associated with the range direction resolution to be performed, an error occurs in the speed measurement. Furthermore, in the above case, since the altitude measurement value is directly used for estimation of the incident direction of the radio wave, the measurement error directly affects the accuracy of the speed measurement.

本発明では、以下で詳しく説明するように、高度計と速度計とを一体化した電波高度速度測定装置において、レンジ方向分解能によるドップラ周波数の不確定性と高度の測定誤差のそれぞれが水平方向速度の測定精度に及ぼす影響を低減し、高い精度で水平方向速度を求めるとともに、さらに、高度の測定誤差も低減することが可能となる。   In the present invention, as will be described in detail below, in the radio altitude speed measurement device in which an altimeter and a speedometer are integrated, the Doppler frequency uncertainty due to the range direction resolution and the altitude measurement error are respectively the horizontal speed. It is possible to reduce the influence on the measurement accuracy, obtain the horizontal speed with high accuracy, and further reduce the high measurement error.

レンジ−ドップラ周波数平面において、複数の測定点と理論曲線とのフィッティング処理を行うことによって、後述するように、レンジ方向分解能によるドップラ周波数の不確定性が水平方向速度の測定精度に及ぼす影響が低減される。   By fitting multiple measurement points and theoretical curves on the range-Doppler frequency plane, the influence of Doppler frequency uncertainty due to range direction resolution on the measurement accuracy of horizontal speed is reduced, as will be described later. Is done.

図1は、飛翔体(アンテナ)10、飛翔体から送出される電波のビーム、そして対象表面の間の位置関係を模式的に示している。図1に示すような場合、視線方向のドップラ周波数fdの理論曲線は下記(1)式のように表される。なお、(1)式において、vは表面に対する水平方向速度、λはキャリア電波の波長、hは対地高度、cは光速、tはレンジ方向時間(パルス往復時間)を表す。

Figure 0004893883
FIG. 1 schematically shows a positional relationship among a flying object (antenna) 10, a radio wave beam transmitted from the flying object, and a target surface. In the case shown in FIG. 1, the theoretical curve of the Doppler frequency f d in the line-of-sight direction is expressed as the following equation (1). In equation (1), v represents the horizontal velocity with respect to the surface, λ represents the wavelength of the carrier radio wave, h represents the altitude to the ground, c represents the speed of light, and t represents the range direction time (pulse reciprocation time).
Figure 0004893883

パルス内で信号対雑音比が比較的良好な(すなわち、波形の切れ込み箇所などでない)複数のサンプル点のそれぞれに対して、高速フーリエ変換(FFT)や離散フーリエ変換(DFT)などの方法を用い、各点におけるドップラ周波数を推定して、サンプル数分の時間tとドップラ周波数fdの組を求める。そして、これらの分布と理論曲線との形状比較から、水平方向速度vを求める。具体的には、理論曲線との形状比較は、最小二乗法による回帰曲線から曲率a=2v/λを解析的に導出し、下記の(2)式によりvを求める。

Figure 0004893883
A method such as Fast Fourier Transform (FFT) or Discrete Fourier Transform (DFT) is used for each of a plurality of sample points having a relatively good signal-to-noise ratio in the pulse (that is, not where the waveform is cut). The Doppler frequency at each point is estimated, and a set of the time t corresponding to the number of samples and the Doppler frequency f d is obtained. Then, the horizontal speed v is obtained from the shape comparison between these distributions and the theoretical curve. Specifically, in the shape comparison with the theoretical curve, the curvature a = 2v / λ is analytically derived from the regression curve by the least square method, and v is obtained by the following equation (2).
Figure 0004893883

また、(2)式には飛翔体から対象表面を見たときの高度hが含まれている。このhとして、パルス伝搬時間に基づく単純な高度測定機能より得られるhの即値を用いることもできるが、ここではさらに、このhを参考値として用い、有り得べき高度誤差範囲分についてhを掃引するシーケンスとすることで、高度誤差が水平方向速度に与える影響を一定程度吸収し、かつ、より高精度な高度推定値を提供することが可能となる。すなわち、下記の(3)式で与えられるフィッティングの回帰残差を評価関数とし、これを最小にするhと、そのときの水平方向速度vを出力する。

Figure 0004893883
Further, the expression (2) includes an altitude h when the object surface is viewed from the flying object. As this h, an immediate value of h obtained from a simple altitude measurement function based on the pulse propagation time can be used, but here, h is used as a reference value, and h is swept for a possible altitude error range. By using the sequence, it is possible to absorb the influence of the altitude error on the horizontal speed to a certain extent and provide a more accurate altitude estimation value. That is, using the fitting regression residual given by the following equation (3) as an evaluation function, h that minimizes this and the horizontal velocity v at that time are output.
Figure 0004893883

レンジ−ドップラ周波数平面における複数の測定サンプルと理論曲線とのフィッティング処理を行うことにより、各サンプル点でのドップラ周波数が送信パルス幅に起因する不確定性を有するシステムにおいても、実際の飛翔体の水平方向速度を高精度に測定することができる。また、後に具体的に説明するように、理論曲線に使用する飛翔体の高度の値を誤差範囲分について掃引することにより、高度誤差による影響を低減した水平方向速度の測定が実現される。さらに、フィッティング処理において最小の回帰残差を与える値により、高度測定値の高精度化を図ることもできる。   In the system where the Doppler frequency at each sample point has uncertainty due to the transmission pulse width by performing the fitting process between a plurality of measurement samples and the theoretical curve in the range-Doppler frequency plane, The horizontal speed can be measured with high accuracy. Further, as will be described in detail later, by measuring the altitude value of the flying object used for the theoretical curve for the error range, the measurement of the horizontal velocity with reduced influence due to the altitude error is realized. Furthermore, it is possible to increase the accuracy of the altitude measurement value by the value that gives the minimum regression residual in the fitting process.

次に、本発明の実施例について説明する。図1に示すように、飛翔体10の下部に設けられた電波送出部(不図示)からは、所定のパルス幅を有する電波の送信パルスが地表に向けて送出される場合を想定する。この送信パルスは周期Tで繰り返し送出される。周期Tは、パルス繰り返し周波数(PRF)の逆数で、例えば100ミリ秒(ms)といった時間間隔である。各送信パルスは、図1に示すように、所定角度の拡がりをもって送出され、地表面に到達すると、そのうちの一部が反射(後方散乱)されて飛翔体10に戻り、電波受信部(不図示)によって受信される。   Next, examples of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, it is assumed that a radio wave transmission unit (not shown) provided in the lower part of the flying body 10 transmits radio wave transmission pulses having a predetermined pulse width toward the ground surface. This transmission pulse is repeatedly transmitted with a period T. The period T is the reciprocal of the pulse repetition frequency (PRF) and is a time interval such as 100 milliseconds (ms). As shown in FIG. 1, each transmission pulse is transmitted with a spread of a predetermined angle, and when it reaches the ground surface, a part of it is reflected (backscattered) and returned to the flying object 10, and a radio wave receiving unit (not shown) ).

図2は、一つのパルスの反射強度が、時間とともにどのように変化するかを概略的に示したグラフである。送信パルスが図1に示すような拡がり角を有していることから、飛翔体10から見て近い地点に到達した電波(視線方向角θが小さい電波)は戻ってくるまでの時間は短く、遠い地点に到達した電波(視線方向角θが大きい電波)が戻ってくるまでの時間は長い。地点jで反射されて戻ってくる電波の視線方向角をθjとする。図2において、レンジ方向時間の時刻tjでは図2の縦軸の強度の反射波があり、この反射波のドップラ周波数はfjである。 FIG. 2 is a graph schematically showing how the reflection intensity of one pulse changes with time. Since the transmission pulse has a divergence angle as shown in FIG. 1, the time required for the radio wave (radio wave with a small line-of-sight direction angle θ) to reach a close point when viewed from the flying object 10 is short, It takes a long time for a radio wave that has reached a far point (a radio wave with a large viewing direction angle θ) to return. Let θ j be the line-of-sight direction angle of the radio wave reflected back at the point j. In FIG. 2, there is a reflected wave having the intensity of the vertical axis in FIG. 2 at time t j in the range direction time, and the Doppler frequency of this reflected wave is f j .

図3は、電波受信部によって受信された受信パルスを処理して飛翔体10の水平方向速度を算出する部分のブロック図である。なお、図3では、受信信号が中間周波数(I/F)にダウンコンバートされた後の処理を示している。   FIG. 3 is a block diagram of a part for calculating the horizontal velocity of the flying object 10 by processing the received pulse received by the radio wave receiving unit. FIG. 3 shows processing after the received signal is down-converted to the intermediate frequency (I / F).

図3において、直交復調部20は、I/F信号からI(Inphase)信号及びQ(Quadrature)信号を抽出する。このI信号及びQ信号は、A/D変換部22においてディジタル化される。これらの処理は、周期Tで受信されるそれぞれのパルス毎に行われる。そして、各パルスについてn点のレンジビン(1パルス内の時間位置)のデータがメモリ部24に保存される。   In FIG. 3, the quadrature demodulator 20 extracts an I (Inphase) signal and a Q (Quadrature) signal from the I / F signal. The I signal and Q signal are digitized by the A / D converter 22. These processes are performed for each pulse received at period T. Then, data of n-point range bins (time positions within one pulse) are stored in the memory unit 24 for each pulse.

必要な数のパルスが受信されると(例えば512パルス)、ドップラ周波数推定処理部26において、各パルスのn点のレンジビンそれぞれについてドップラ周波数が推定される。ドップラ周波数の推定処理には、FFTあるいはDFTなどの方法が用いられる。図4は、図2に示したグラフを、連続する4つのパルスについて示したものであり、各パルスの白丸で示した値は、n点の各レンジビンにおける受信信号振幅の値を示している。   When the required number of pulses is received (for example, 512 pulses), the Doppler frequency estimation processing unit 26 estimates the Doppler frequency for each of the n-point range bins of each pulse. For the Doppler frequency estimation process, a method such as FFT or DFT is used. FIG. 4 shows the graph shown in FIG. 2 for four consecutive pulses, and the values indicated by white circles of the pulses indicate the values of the received signal amplitudes in the n-point range bins.

n点のドップラ周波数は、視線方向角の違いによって、レンジビン(レンジ方向時間)に依存して異なる値をとる。この各点についてのレンジ時間t、ドップラ周波数fdからなるn個の組が、フィッティング処理部28に入力される。一方、理論上のドップラ周波数は、(1)式に高度測定値h、キャリア周波数λ、光速cを代入することによって計算することができる。図5の実線は、この理論式(1)に基づいて計算された理論曲線を示している。フィッティング処理部28は、この理論曲線と、ドップラ周波数推定処理部26によって推定されたn個のレンジビンのドップラ周波数とのフィッティング処理を行う。図5は、このフィッティング処理の概念的な様子を示している。 The n-point Doppler frequency takes different values depending on the range bin (range direction time) depending on the difference in the viewing direction angle. N sets of the range time t and the Doppler frequency f d for each point are input to the fitting processing unit 28. On the other hand, the theoretical Doppler frequency can be calculated by substituting altitude measurement value h, carrier frequency λ, and speed of light c into equation (1). The solid line in FIG. 5 shows the theoretical curve calculated based on this theoretical formula (1). The fitting processing unit 28 performs a fitting process between the theoretical curve and the Doppler frequencies of n range bins estimated by the Doppler frequency estimation processing unit 26. FIG. 5 shows a conceptual state of this fitting process.

図6は、フィッティング処理部28における処理手順を示したフローチャートである。上記のように、ドップラ周波数推定処理部26から、レンジ時間t、ドップラ周波数fdのn個の組がフィッティング処理部28に入力されると、まず、n個の各点について対象表面への電波の入射角度を算出する。これは、(1)式の sin 関数の引数、すなわち cos-1 部分を計算することに他ならない。これにより、(2)式の最小二乗法の計算により、水平方向速度vを求める。 FIG. 6 is a flowchart showing a processing procedure in the fitting processing unit 28. As described above, when n sets of the range time t and the Doppler frequency fd are input from the Doppler frequency estimation processing unit 26 to the fitting processing unit 28, first, the radio wave to the target surface at each of n points. The incident angle is calculated. This is nothing but computing the argument of the sin function in equation (1), that is, cos −1 part. Thus, the horizontal speed v is obtained by the calculation of the least square method of the equation (2).

この最初の処理に使用される高度hは、パルス伝搬時間に基づく単純な高度測定機能から参照値として与えられるものである。そして、このhに含まれ得る誤差の範囲(±Δh)を適当なステップで刻み、都合k個の高度値について上記の処理をループする。その結果、k個の水平方向速度vが得られ、フィッティングの回帰残差を評価関数とすることにより、k個の高度値の中で最適な値を決定する。評価関数は(3)式に示したものである。また、評価関数を最小にする最適な水平方向速度vを出力した高度は、パルス伝搬時間に基づく単純な高度参照値をリファインした値として出力される。   The altitude h used for this initial processing is given as a reference value from a simple altitude measuring function based on the pulse propagation time. Then, an error range (± Δh) that can be included in h is engraved in an appropriate step, and the above processing is looped for k altitude values. As a result, k horizontal velocities v are obtained, and an optimal value is determined among the k altitude values by using the regression regression of fitting as an evaluation function. The evaluation function is shown in equation (3). The altitude at which the optimal horizontal velocity v that minimizes the evaluation function is output is output as a refined value of a simple altitude reference value based on the pulse propagation time.

以上のようにして、水平方向速度vと高度値hの両方が求められたこととなり、しかもそれぞれが上で述べた処理を経て得られることにより、より精度の高い値として得られる。   As described above, both the horizontal speed v and the altitude value h are obtained, and each is obtained through the above-described processing, so that it can be obtained as a more accurate value.

飛翔体、飛翔体から送出されるビーム、そして対象表面の位置関係を概略的に示した図である。It is the figure which showed roughly the positional relationship of a flying body, the beam sent from a flying body, and a target surface. 一つのパルスの反射強度が、時間とともにどのように変化するか概略的に示したグラフである。It is the graph which showed roughly how the reflection intensity of one pulse changes with time. 電波受信部によって受信された受信パルスを処理して飛翔体の水平方向速度を算出する部分のブロック図である。It is a block diagram of the part which processes the received pulse received by the radio wave receiver and calculates the horizontal velocity of the flying object. 図2に対応するグラフを、連続する4つのパルスについて示したグラフである。It is the graph which showed the graph corresponding to FIG. 2 about four continuous pulses. フィッティング処理の概念的な様子を示した図である。It is the figure which showed the conceptual mode of the fitting process. フィッティング処理部における処理手順を示したフローチャートである。It is the flowchart which showed the process sequence in a fitting process part.

符号の説明Explanation of symbols

10 飛翔体
20 直交復調部
22 A/D変換部
24 メモリ部
26 ドップラ周波数推定処理部
28 フィッティング処理部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Flying object 20 Orthogonal demodulation part 22 A / D conversion part 24 Memory part 26 Doppler frequency estimation process part 28 Fitting process part

Claims (2)

飛翔体の高度及び対象表面に対する水平方向速度を測定する電波高度速度測定装置において、
電波の往復時間を用いて前記飛翔体の高度参照値hを測定する高度測定部と、
前記飛翔体から所定のビーム拡がり角を有する電波を、対象表面に向け、所定の時間間隔のパルスとして送出する電波送出部と、
前記電波の対象表面からの反射波を受信する電波受信部と、
電波受信部で受信された反射波を直交復調してI信号及びQ信号を出力する直交復調部と、
前記I信号及びQ信号をディジタル化するA/D変換部と、
ディジタル化された前記I信号及びQ信号に基づいて、レンジ時間軸上の複数の点についてドップラ周波数を推定するドップラ周波数推定処理部と、
前記高度測定部で得られた高度参照値hを理論式
Figure 0004893883
(t:レンジ時間、f d :ドップラ周波数、λ:波長、v:水平方向速度、c:光速)
に代入して得られるレンジ時間-ドップラ周波数曲線に対して、前記ドップラ周波数推定処理部において得られたレンジ時間とドップラ周波数からなる複数の組をフィッティングさせて前記飛翔体の水平方向速度を算出するフィッティング処理部と、
を具備し、
前記フィッティング処理部は、さらに、複数のレンジ時間とドップラ周波数からなる組が入力されると、レンジ時間軸上の各点について対応する視線方向角(h/(ct/2))を算出し、
Figure 0004893883
に基づいて水平方向速度を算出するとともに、高度参照値hに含まれ得る誤差の範囲(±Δh)を所定のステップで刻んで得られるk個の高度値の候補について同様の処理を実行してk個の水平方向速度の候補を算出し、これに基づいて、フィッティングの回帰残差を評価関数
Figure 0004893883
とすることにより、k個の高度値の候補の中で最適な値を決定して、より精度の高い高度値と水平方向速度を推定することを特徴とする、電波高度速度測定装置。
In the radio altitude velocity measuring device that measures the altitude of the flying object and the horizontal velocity relative to the target surface,
An altitude measuring unit that measures the altitude reference value h of the flying object using a round-trip time of radio waves;
A radio wave sending unit for sending a radio wave having a predetermined beam divergence angle from the flying object to the target surface and sending it as a pulse at a predetermined time interval;
A radio wave receiver that receives a reflected wave from the target surface of the radio wave;
An orthogonal demodulation unit that orthogonally demodulates the reflected wave received by the radio wave reception unit and outputs an I signal and a Q signal;
An A / D converter for digitizing the I signal and the Q signal;
A Doppler frequency estimation processing unit for estimating a Doppler frequency for a plurality of points on the range time axis based on the digitized I signal and Q signal;
The altitude reference value h obtained by the altitude measuring unit is expressed by a theoretical formula.
Figure 0004893883
(T: range time, f d : Doppler frequency, λ: wavelength, v: horizontal speed, c: speed of light)
The horizontal time velocity of the flying object is calculated by fitting a plurality of sets of the range time and the Doppler frequency obtained in the Doppler frequency estimation processing unit to the range time-Doppler frequency curve obtained by substituting A fitting processing unit;
Comprising
The fitting processing unit further calculates a gaze direction angle (h / (ct / 2)) corresponding to each point on the range time axis when a set of a plurality of range times and Doppler frequencies is input.
Figure 0004893883
The horizontal speed is calculated based on the above, and a similar process is performed on k altitude value candidates obtained by engraving an error range (± Δh) that can be included in the altitude reference value h in a predetermined step. k horizontal velocity candidates are calculated, and based on this, the regression residual of the fitting is evaluated
Figure 0004893883
Thus , the radio altitude speed measuring apparatus is characterized in that an optimum value is determined from among the k altitude value candidates and the altitude value and the horizontal speed are estimated with higher accuracy .
飛翔体の高度及び対象表面に対する水平方向を測定する電波高度速度測定方法であって、
電波の往復時間を用いて前記飛翔体の高度参照値hを測定する高度測定工程と、
前記飛翔体から所定のビーム拡がり角を有する電波を、対象表面に向け、所定の時間間隔のパルスとして送出する電波送出工程と、
前記電波の対象表面からの反射波を受信する電波受信工程と、
電波受信工程により受信された反射波を直交復調してI信号及びQ信号を出力する直交復調工程と、
前記I信号及びQ信号をディジタル化するA/D変換工程と、
ディジタル化された前記I信号及びQ信号に基づいて、レンジ時間軸上の複数の点についてドップラ周波数を推定するドップラ周波数推定処理工程と、
前記高度測定部で得られた高度参照値hを理論式
Figure 0004893883
(t:レンジ時間、f d :ドップラ周波数、λ:波長、v:水平方向速度、c:光速)
に代入して得られるレンジ時間−ドップラ周波数曲線に対して、前記ドップラ周波数推定処理工程において得られたレンジ時間とドップラ周波数からなる複数の組をフィッティングさせて前記飛翔体の水平方向速度を算出するフィッティング処理工程と、
を具備し、
前記フィッティング処理工程では、さらに、複数のレンジ時間とドップラ周波数からなる組が入力されると、レンジ時間軸上の各点について対応する視線方向角(h/(ct/2))を算出し、
Figure 0004893883
に基づいて水平方向速度を算出するとともに、高度参照値hに含まれ得る誤差の範囲(±Δh)を所定のステップで刻んで得られるk個の高度値の候補について同様の処理を実行してk個の水平方向速度の候補を算出し、これに基づいて、フィッティングの回帰残差を評価関数
Figure 0004893883
とすることにより、k個の高度値の候補の中で最適な値を決定して、より精度の高い高度値と水平方向速度を推定することを特徴とする、電波高度速度測定方法。
A radio altitude speed measurement method for measuring the altitude of a flying object and the horizontal direction relative to the target surface,
An altitude measuring step of measuring the altitude reference value h of the flying object using a round-trip time of radio waves;
A radio wave sending step for sending radio waves having a predetermined beam divergence angle from the flying object toward the target surface and sending them as pulses at predetermined time intervals;
A radio wave receiving step of receiving a reflected wave from the target surface of the radio wave;
An orthogonal demodulation step of orthogonally demodulating the reflected wave received by the radio wave reception step and outputting an I signal and a Q signal;
An A / D conversion step for digitizing the I signal and the Q signal;
A Doppler frequency estimation processing step of estimating a Doppler frequency for a plurality of points on the range time axis based on the digitized I signal and Q signal;
The altitude reference value h obtained by the altitude measuring unit is expressed by a theoretical formula.
Figure 0004893883
(T: range time, f d : Doppler frequency, λ: wavelength, v: horizontal speed, c: speed of light)
The horizontal velocity of the flying object is calculated by fitting a plurality of sets of the range time and the Doppler frequency obtained in the Doppler frequency estimation processing step to the range time-Doppler frequency curve obtained by substituting Fitting process,
Comprising
In the fitting processing step, when a set of a plurality of range times and Doppler frequencies is input, a corresponding gaze direction angle (h / (ct / 2)) is calculated for each point on the range time axis,
Figure 0004893883
To calculates the horizontal rate based executes the same processing for the candidate altitude reference value range of errors that may be included in h (± Δh) k number of altitude values obtained Nde time a predetermined step k horizontal velocity candidates are calculated, and based on this, the regression residual of the fitting is evaluated
Figure 0004893883
The radio altitude speed measuring method is characterized in that an optimal value is determined from among the k altitude value candidates, and the altitude value and the horizontal speed are estimated with higher accuracy .
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